陶瓷膜生物反应器对农村生活污水处理效果探究

　　我国农村每年约产生 80 亿t生活污水，大部分未经处理便直接排入自然水系中。随着水体污染的加剧，《城镇污水处理厂污染物排放标准》对处理后污水的氨氮(NH3-N)、总氮(TN)、总磷(TP)等指标有了更严格的要求。

　　膜-生物反应器(MBR)利用膜的高效截留代替传统工艺中的二沉池，具有出水水质好、耐冲击负荷、产泥少、占地面积小等优点，是农村生活污水处理的重要工艺之一。MBR 工艺的核心是膜组件，其中有机膜的应用最广泛，材质主要为聚氯乙烯(polyvi⁃ nyl chloride，PVC)、聚氯氟乙烯(polyvinylidene fluo⁃ ride，PVDF)。但有机膜具有易损坏、易受化学物质侵蚀、易产生不可逆污染等缺点，影响处理效果，且日常维护管理复杂。农村地区经济技术相对落后，缺乏专业技术人员，传统 MBR 建成投产后难以保证科学的维护与管理[8]。相比而言，陶瓷膜具有抗污染性能好、耐酸碱性、机械强度大、结构稳定以及维护简单等优势，更适合应用于MBR 处理农村生活污水。

　　目前研究主要集中在C-MBR 对于校园生活污水、医院污水、炼油废水的处理以及膜污染特性，对于C-MBR 在农村生活污水中的应用，尤其是脱氮除磷强化工艺鲜有报道。本研究采用浸没式平板陶瓷膜-MBR 工艺处理农村生活污水，对 C-MBR 处理农村生活污水的效果、脱氮除磷性能进行了强化研究。其中，通过优化回流比、DO、HRT 进行强化脱氮。由于传统MBR 单一的工艺对磷的去除效果难以满足日益严格的排放标准，限制了其广泛应用。目前，为解决MBR 除磷效果差的问题，研究主要集中在化学法，通过投加化学药剂进行除磷，填料吸附除磷在C-MBR 农村生活污水处理中相对不多。本研究采用粉煤灰多孔填料吸附进行强化除磷，相比化学法，操作简单，维护量小。从而为C-MBR 工艺在农村生活污水中的应用，以及脱氮除磷强化提供解决思路和有益参考。

　　1 材料与方法

　　1.1 工艺与装置

　　图 1 为强化前工艺流程与装置示意图。工艺设有调节池、缺氧池、厌氧池、好氧池和出水池等，各池材质均为有机玻璃。调节池容积为 500 L，用于配水并调节水质。好氧池长25 cm，宽25 cm，高64 cm，容积为 40 L，缺氧池∶厌氧池∶好氧池体积比为 1∶1∶2，可根据试验要求调节水位和有效容积，同时设置陶瓷膜反冲洗装置。调节池中设置进水管，利用蠕动泵向缺氧池配水，后利用重力流入厌氧池，两池中设有搅拌器。好氧池内底部安装曝气穿孔管，利用曝气泵曝气，池中设有回流管，混合液经回流泵回流。膜组件放置在好氧池混合液中，抽吸出水。

　　1.2 试验材料

　　试验采用的平板陶瓷膜由河南方周瓷业生产。

　　主要膜材质为Al2O3，膜孔径有 1000、500、100 nm 和 50 nm 四种。接种污泥来源于上海市长宁区天山路污水处理厂，该厂处理对象为城镇生活污水，污泥经两个月的培养驯化，浓度性质达到稳定后用于试验。试验用水为人工模拟生活污水，以葡萄糖为碳源，NH4Cl 为主要氮源，鱼粉蛋白胨为辅助氮源，KH2PO4为磷源。进水COD 和TN、NH3-N、TP 的质量浓度分别为 360.00~661.00、33.90~57.60、16.80~32.30 mg·L-1和4.78~5.77 mg·L-1。

　　1.3 分析项目及方法

　　MLS试验分析的项目主要有COD、TN、NH3-N、TP、S、pH 和DO 等，检测方法COD 采用快速消解分光光度法，TN 采用碱性过硫酸钾紫外分光光度法， NH3-N 采用纳氏试剂分光光度法，TP 采用钼酸盐分光光度法，MLSS 采用烘干称量法，pH 采用酸度计(型号：WTW pH-3210)，DO 采用便携式溶解氧仪(型号：

　　WTW Oxi-3310)。

　　2 结果与讨论

　　2.1 污染物去除效果

　　经过前期预试验，确定在膜通量20 L·m-2·h-1、膜孔径50 nm、好氧池MLSS 3000 mg·L-1 运行条件下，膜清洗周期最长且出水水质稳定。为明确传统C-MBR对氮磷去除的局限性，提供工艺优化方向，先在常规条件下[总HRT 为6 h(其实好氧池HRT 2 h)，DO 3.00 mg·L-1，回流比50%]研究C-MBR 去除效果。具体联系污水宝或参见http://www.dowater.com更多相关技术文档。

　　2.1.1 COD 去除效果

　　C-MBR 对于COD 的去除效果见图 2。由图 2 可知，进水COD 平均浓度为554.80 mg·L-1，出水平均浓度为34.90 mg·L-1，平均去除率为93.68%，出水COD 浓度满足一级A 排放标准(50.00 mg·L-1)。其中，陶瓷膜进水COD 平均浓度为298.63 mg·L-1，出水平均浓度为

　　34.90 mg·L-1，陶瓷膜对COD 平均截留率可达90.16%。其原因是，膜池内的MLSS 较高，有机物与微生物在池内充分反应;同时由于陶瓷膜对溶液中固体悬浮颗粒、蛋白质、酶等大分子有机物进行拦截，增加了微生物与有机物接触时间，强化了有机物的生物降解。

　　2.1.1 TN 去除效果

　　C-MBR 对于TN 的去除效果见图 3。由图 3 可知，进水 TN 平均浓度为 47.68 mg·L-1，出水平均浓度为22.59 mg·L-1，C-MBR 对TN 平均去除率为50.52%，出水TN 浓度不满足一级A 排放标准(15.00 mg·L-1)。其中，陶瓷膜进水 TN 平均浓度为 27.52 mg·L-1，出水平均浓度为22.59 mg·L-1，陶瓷膜对TN 平均截留率为18.02%。TN 的去除主要靠好氧池的硝化作用与缺氧池的反硝化作用。此外，陶瓷膜会截留未被完全降解的含氮有机大分子。TN 的去除受多个工艺参数影响，后续将进行强化脱氮工艺研究。

　　2.1.3 NH3-N 去除效果

　　C-MBR 对NH3-N 的去除效果如图4 所示。由图可知，进水NH3-N 平均浓度为24.77 mg·L-1，出水平均浓度为1.13 mg·L-1，平均去除率为95.00%，满足一级A 排放标准(5.00 mg·L-1)。其中，陶瓷膜对NH3-N平均截留率为6.20%。分析认为：NH3-N 主要以离子形式存在，直径小于膜孔径，可能存在NH3-N 附着在悬浮颗粒物上，被陶瓷膜所截留，但总体来说陶瓷膜对NH3-N 的截留作用很小。NH3-N 的去除主要是在有氧条件下，通过硝化作用转化为硝酸盐氮和亚硝酸盐氮。好氧池内DO 充足且硝化菌浓度高，硝化反应彻底，因此NH3-N 有较好的去除效果。

　　2.1.4 TP 去除效果

　　图 5 为TP 的去除效果。由图 5 可知，进水 TP 平均浓度为 4.99 mg·L-1，出水平均浓度为 4.57 mg·L-1，平均去除率仅为 12.32%，远未达到一级 A 排放标准

　　(0.50 mg·L-1)。其中陶瓷膜对 TP 的截留率为 2.8%。分析认为：生物除磷主要利用聚磷菌在好氧状态下过量摄取磷，通过及时排放剩余污泥进行除磷。由于 C-MBR 中污泥被膜截留在好氧池中，泥龄长，排泥量少，因此 C-MBR 除磷效果差。为提高TP 去除效果，后续将进行强化除磷研究。

　　2.2 膜组件污染速率

　　试验采用恒定膜通量的运行方式。如图6 所示，因膜面污堵会出现压力损耗，跨膜压差随着过滤的不

　　断进行而逐渐增加。陶瓷膜的物理特性使其能承受较高的连续运行跨膜压差(上限值为±60 kPa)，且具有耐腐蚀性强(次氯酸钠溶液)的特点。

　　当达到清洗压差时，利用加药泵将 1000 mg·L-1的次氯酸钠溶液，以每片膜500 mL·30 min-1 的速度缓慢注入陶瓷膜片中，经反冲洗装置进行清洗药剂排出，膜压力恢复速率最快，清洗效果最佳。理论上提高膜通量，可减少膜组件的数量，降低投资费用，但过高的膜通量会造成膜清洗频繁，加速膜的老化，增加膜的更换成本，本试验中膜通量 20 L·m-2·h-1 时性价比最高。

　　2.3 强化脱氮研究

　　为强化C-MBR 脱氮效果，将对回流比、DO、好氧池HRT 等工艺参数进行优化，以使C-MBR 出水水质稳定，出水 TN 浓度达到一级A 标准，且尽量减少能耗。

　　2.3.1 回流比对脱氮效果的影响

　　回流作为活性污泥工艺中的重要参数之一，对脱氮起重要的作用，与膜过滤技术结合后，回流也有了新的特点，能使膜池内混合液更充分混合接触。

　　通过改变回流比，旨在提高C-MBR 脱氮效果，使出水TN 浓度达到一级A 标准。试验时间为 80 d，系统稳定后工况为：总 HRT 为 6 h(好氧池 HRT 为 2 h)，DO为3.00 mg·L-1。好氧池MLSS、膜通量以及膜孔径工况维持不变。回流比设50%、100%、200% 和300% 四个梯度。图7 为不同回流比下，主要污染物的去除情况。由图7 可知，随着回流比增加，TN 去除率先增加后降低，当回流比为 200% 时，平均去除率最高，为64.60%，出水TN 平均浓度为14.86 mg·L-1，满足一级A排放标准(15.00 mg·L-1);COD 和NH3-N 去除率均高于90%，出水满足一级A 标准;TP 去除率呈下降趋势。这是因为：(1)当回流比提高，回流至缺氧池的硝态氮增多，经反硝化作用TN 去除率提高;当回流比过高(如300%)，回流量携带的氧增多，缺氧池内缺氧环境被破坏，反硝化菌活性被抑制，且回流至缺氧段的硝态氮接近饱和，异养菌数量也增多，有限的碳源无法提供足够的电子供体，导致无法将回流的硝态氮完全还原，TN 去除率下降;(2)C-MBR 耐冲击负荷能力较强，对 COD 有稳定的处理效果;(3)好氧池中硝化菌活性较高，硝化反应彻底，因此NH3-N 去除效果好;(4)随着回流比增加，厌氧池中 DO 增加，影响厌氧释磷，不彻底的释磷不利于好氧条件下聚磷菌的过量吸磷[20]，因此 TP 去除率下降。综上，回流比为200% 时，出水TN 平均浓度满足一级A 排放标准。因此是系统最佳回流比。

　　2.3.2 DO 对脱氮效果的影响

　　曝气是污水生物处理系统的主要能耗，传统污水处理厂中鼓风曝气能耗占总能耗的 50% 左右，在二级生物处理单元中鼓风机电耗甚至占单元电耗的75%。通过改变DO 浓度，旨在使出水TN 满足一级A 标准的同时，减少能耗。利用便携式溶解氧仪进行实时监测，通过数显气体流量计(型号MF-5712)调节曝气量的大小对DO 浓度进行控制。设置DO 浓度为0.50、1.00、2.00、3.00 mg·L-1 四个梯度，回流比 200%，总HRT 6 h(其中好氧池 HRT 2 h)，其他参数维持不变，试验时间为80 d。图8 为不同DO 下，主要污染物的去除情况。

　　由图 8 可知，随着 DO 浓度增加，TN 去除率先升高后降低，当 DO 为 2.00 mg·L-1 时，平均去除率达到最高，为65.9%，此时出水TN 浓度为14.13 mg·L-1，满足一级A 标准;NH3-N 去除率逐渐提高，当DO≥2 mg· L-1 时，出水NH3-N 浓度才满足一级A 排放标准(5.00 mg·L-1);COD 平均去除率均大于 90%，无明显变化;TP 去除率逐渐降低。

　　这是因为：(1)当DO 浓度过低，好氧池中硝化反应不充分，NH3-N 出水不满足一级A 标准。DO 浓度增加，硝化菌活性增加，NH3-N 的去除效果提高;(2)当DO 浓度增加，硝化反应充分，因此回流的硝态氮增多，反硝化更加彻底，提高了 TN 去除效果。但当DO 浓度过高，回流液中携带的 DO 抑制硝酸盐还原酶的合成和活性，反硝化作用受抑制，降低了TN 的去除效果，且增加能耗;(3)DO 增加，回流液中携带的DO 消耗了缺氧池中易降解的BOD5，碳源不足影响厌氧 释 磷 ，同 时 消 耗 了 细 胞 内 的 聚羟基脂肪酸(PHA)，造成除磷效果下降。综上，DO 浓度为2.00 mg·L-1 时，出水TN、NH3-N 浓度均满足一级A 排放标准，且该工况下曝气量小，能耗低，为最佳DO 浓度。

　　2.3.3 好氧池HRT 对脱氮效果的影响

　　2.00当好氧池 HRT 为 2 h，回流比为 200%，DO 为mg·L-1 时，虽然C-MBR 出水TN 平均浓度满足一级A 标准，但出水水质不稳定，仍会出现不达标情况。通过改变好氧池HRT，可提高系统出水稳定性。试验时间为80 d，回流比200%，DO 为2.00 mg·L-1，厌氧池、好氧池各维持2 h，其他参数保持不变。图9 为不同好氧池HRT 下，主要污染物的去除情况。

　　由图 9 可知，当好氧池 HRT 为 4 h 时，TN 去除率达到最高，平均去除率可达 69.39%，出水平均浓度为 12.52 mg·L-1，且此时出水水质稳定，运行中 TN 浓度均满足一级A 标准(15.00 mg·L-1);NH3-N 去除率先上升后稳定;COD 去除率上升;TP 去除率无明显变化。

　　这是因为：(1)好氧池 HRT 从 2 h 增加到 4 h，NH2 h3-N 去除率从90.74% 增加到94.60%，说明HRT 为时，反应池中各微生物种群没有充分的时间生长，硝化反应未充分进行，导致缺氧池中硝态氮浓度较低，反硝化无法稳定充分进行[25]，不能达到稳定除氮的目的。但是好氧池HTR 过大(如6、8 h)，会导致好氧池中有机物消耗过多，缺氧池 C/N 比降低，降低反硝化速率[26]从而影响TN 去除，同时造成基建面积过大，工程成本提高等问题;(2)随着HRT 的增长，微生物对有机物的消解更彻底，COD 的去除率随之升高。综上，好氧池HRT 为4 h 时，C-MBR 出水水质稳定，出水TN 浓度稳定满足一级A 标准，且此时 HRT 适中，不会引起基建面积扩大带来的成本问题，性价比高。

　　因此认为最佳HRT 为4 h。

　　2.2 强化除磷研究

　　经试验发现，单一的C-MBR 工艺除磷效果差，出水TP 浓度远不满足一级A 排放标准。目前，为解决MBR 除磷效率低的问题，主要采用投加化学药剂的方法。但化学除磷存在很多缺点：需要不断投加药剂，且除磷过程中所形成的金属磷酸盐等最终形成固体沉淀，需要通过不断排泥去除，维护量大且管理复杂。

　　在本试验中，采用在 C-MBR 后端添加除磷填料段，利用填料吸附磷强化 C-MBR 除磷效果。改进后工艺流程如图 10 所示。填料池由有机玻璃制成，池中装填粒径为15~20 mm 的粉煤灰多孔除磷填料。采用上向流设计，C-MBR 出水通过循环泵从填料池底部进水管流入，经过填料，从上部溢流口流出，并设置有多个溢流口。粉煤灰多孔除磷填料，由上海昂未环保发展有限公司提供，主要成分为粉煤灰、生石灰、磷石膏和水泥等，经高温高压改性而成。该填料具有重量小、机械强度好、孔隙发达、易挂膜等特点，其磷吸附容量为 0.016 g P·g-1 填料，孔隙率为 55.38%，平均密度为800.00 kg·m-3。

　　为选择最佳水力负荷，共设置 3 组平行试验，分别设计水力负荷为0.17、0.33、0.66 m3·m-3·d-1，分别对进出水口进行采样。C-MBR 维持最佳脱氮工艺参数：回流比为200%、DO 2.00 mg·L-1、总HRT 8 h(好氧池HRT 4 h)，其他参数保持不变。除磷填料在不同水力负荷下的去除率如表1 所示。

　　由表 1 可知，TP 去除率随水力负荷的增加而降低。分析认为：当水力负荷过大，污染物与填料接触时间不充分，导致 TP 去除率低;当水力负荷过小，虽然TP 去除效果好，但每日处理水量过低，投资增加。因此，0.33 m3·m-3·d-1 为最佳水力负荷，此时出水 TP平均浓度为 0.42 mg· L-1，满足一级 A 排放标准(0.5 mg·L-1)。在最佳水力负荷下，C-MBR、脱磷池进出水TP 浓度以及其去除率见图11。

　　由图11 可知，采用粉煤灰多孔填料吸附除磷前，进水TP 平均浓度为5.21 mg·L-1，C-MBR 平均出水浓度为4.57 mg·L-1，工艺对TP 平均去除率仅为12.32%;增加填料吸附除磷模块后，出水平均浓度为0.42 mg· L-1，工艺对TP 平均去除率提升为90.90%，出水TP 浓度满足一级A 排放标准(0.50 mg·L-1)。此外，采用吸附法除磷相比化学除磷，操作简便，管理容易，具有较好的推广价值。

　　2 结论

　　(1)传统 C-MBR 工艺处理农村生活污水，出水

　　TN 和TP 不能满足一级A排放标准。优化回流比为200%、好氧池 HRT 为 4 h、DO 浓度为 2.00 mg·L-1，C-MBR 脱氮效果显著提高，TN 去除率可达 69.39%，平均出水浓度为12.52 mg·L-1，满足一级A 排放标准。

　　(2)利用粉煤灰多孔填料对污水中的磷进行吸附去除，在水力负荷0.33 m3·(m3·d)-1 条件下，TP 去除率可达90.90%，平均出水浓度为0.42 mg·L-1A 排放标准。

　　(3)通过优化运行参数，增加吸附除磷段，C-MBR 工艺出水氮、磷指标可同时达到一级 A 排放标准，系统运行稳定，且操作简单、维护量小、能耗低。(来源：上海交通大学农业与生物学院)